Una revisión del uso del TiO2 en terapias e ingeniería tisular

B O L E T I N D E L A S O C I E DA D E S PA Ñ O L A D E
Cerámica y Vidrio
ARTICULO DE REVISIÓN
Una revisión del uso del TiO2 en terapias e ingeniería tisular
B. Moreno1*, M. Carballo2, J.R. Jurado1, E. Chinarro1
1
Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC, Camino de Valdelatas, s/n, Campus de la Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Cantoblanco, Madrid, España
2
Hospital Nacional de Parapléjicos de Toledo, SESCAM, Finca La Peraleda s/n, 45071, Toledo, España
El óxido de titanio es considerado un biomaterial multifuncional con una experimentada aplicación en el reemplazo óseo.
Sin embargo, gracias a sus propiedades, en los últimos años se ha demostrado la viabilidad de este óxido en nuevas áreas de
la biomedicina, como es la ingeniería de tejidos. En esta revisión se pretenden exponer nuevas aportaciones del TiO2-x en su
interacción con diferentes tipos celulares, revisando aquellas características físico-químicas del material que pueden explicar
la naturaleza de su elevada biocompatibilidad. Se demuestra la idoneidad del TiO2-x como sustrato para el crecimiento de
células hepáticas, endoteliales vasculares o neuronales.
Palabras Clave: Óxido de Titanio, Cultivos celulares, Especies Reactivas de Oxígeno (ERO), Biocompatibilidad, Ingeniería de Tejidos
Applications of TiO2 in celular therapies and tissue engieneering: a review
Titanium dioxide is considered a multifuctional biomaterial with long established application on bone reemplacement.
Nevertheless, this oxide, due to its unique properties, has shown a potential use in new areas of biomedicine as tissue
engineering. This review shows new applications of TiO2-x, based on the study of its interaction with different cell types.
Those physico-chemical properties that can explain the nature of its exceptional biocompatibility are studied, demonstrating
the suitability of the TiO2-x substrata for the adhesion, growth and development of hepatic, endothelial and neural cells.
Keywords: Titanium oxide, Cell culture, Reactive Oxygen Species (ROS), Biocompatibility, Tissue engineering
1. Introducción
Biomaterial es aquel material diseñado, fabricado o
modificado por el hombre, puesto en contacto con un sistema
biológico para evaluar, tratar, aumentar o reemplazar cualquier
tejido, órgano o función del cuerpo1. La evolución de los
biomateriales durante el pasado siglo ha sido recientemente
organizada y subdividida en cuatro generaciones diferentes
de biomateriales2: (a) la primera de ellas surgió del empleo
de materiales de uso estandarizado, basados principalmente
en metales, aceros, o polímeros como el poliestireno. Estos
materiales estaban diseñados originariamente para ser
usados en otro tipo de aplicaciones, pero en un momento
dado terminaron en el campo de la biomedicina sin ser
modificados específicamente para esta aplicación. (b) En
los años cincuenta se comenzó a producir una segunda
generación de materiales basada principalmente en titanio y
sus aleaciones, ya específicamente diseñados para aplicaciones
biomédicas concretas. Estos materiales, junto con otros,
como los polímeros termoplásticos dominan hoy en día el
nicho de comercialización de prótesis óseas y dispositivos
implantables. (c) Durante la década de los noventa surgió la
tercera generación de biomateriales al acuñarse el término
de bioactividad3, definido como aquella propiedad de un
material implantado responsable de su interacción con el
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tejido vivo. Estos nuevos materiales bioactivos presentaban
características e incluso composiciones semejantes a aquellas
encontradas en los sistemas biológicos. El ejemplo más claro
de este tipo de materiales fue el desarrollo de los biovidrios4,
o el uso de la hidroxiapatita o la wollastonita en la reparación
ósea. (d) La cuarta generación de biomateriales es aquella,
que hoy en día se encuentra en fase de desarrollo y no ha sido
todavía extrapolada a la aplicación clínica. Está constituida
por los llamados materiales inteligentes: aquellos que una
vez implantados modifican sus propiedades en función de
un estímulo, o que presentan propiedades como sensor
para monitorizar una función concreta e interaccionar con el
sistema biológico.
De la misma forma que los biomateriales han seguido
una evolución de acuerdo a las necesidades surgidas y al
desarrollo conjunto de la ciencia de materiales junto con la
biomedicina; las biocerámicas, en concreto, han seguido una
trayectoria similar, llegándose actualmente a proponer su uso
en diversas aplicaciones alejadas de su campo más clásico.
Las biocerámicas más comúnmente usadas son la alúmina,
circona, fosfatos cálcicos, vidrios bioactivos, vitrocerámicos y
el carbón5. La aplicación directa de las biocerámicas se inició
como una alternativa a los materiales metálicos en implantes
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dentales y en prótesis óseas6, debido principalmente a su alta
inercia química y elevada resistencia mecánica. Hoy día, las
cerámicas son un grupo específico de biomateriales en uso con
aplicaciones que van más allá, de su uso más convencional en
el reemplazo de óseo.
En esta revisión se pretende describir aquellas aplicaciones
más avanzadas del óxido de titanio, uno de los materiales
cerámicos más estudiados y con mayor número de aplicaciones
en otras áreas del conocimiento, como es la catálisis y
fotocatálisis. Este material no aparece, generalmente, en
las clasificaciones que describen las biocerámicas5,7 aunque
indirectamente se ha utilizado en ingeniería biomédica desde
los años ochenta8,9. Por lo tanto, antes de comenzar a describir
en detalle las características y aplicaciones del TiO2 es obligado
mencionar la importancia que ha tenido el Ti metálico en
biomedicina como material para la fabricación de implantes,
fundamentalmente en odontología y ortopedia.
Es ampliamente conocido que la buena respuesta célulamaterial del Titanio metálico o de algunas de sus aleaciones es
debida a que en presencia de fluidos biológicos el Ti metálico
se pasiva, es decir, forma espontáneamente una delgada capa
de óxido en su superficie (3-6 nm)10. Hoy en día se sabe que
esta capa nanométrica de TiO2 es la responsable de la elevada
biocompatibilidad de los implantes de Ti11. Entendiendo
por biocompatibilidad, la habilidad de un material para no
desencadenar un rechazo del organismo huésped en una
aplicación concreta, es decir, que un material implantado
sea capaz de no inducir o incluso inhibir la respuesta
inflamatoria producida cuando el implante es introducido en
el organismo1,7.
Cuando el titanio metálico es implantado en un hueso,
esta capa bioactiva de TiO2 de carácter amorfo facilita la
oseointegración del implante mediante una serie de reacciones
superficiales con el medio. En estas reacciones se produce,
entre otras cosas, la formación de una capa de hidroxiapatita
amorfa, que termina cristalizando y favoreciendo la reacción
del tejido con el material8.
Figura 1. Diagrama binario de fases del Ti-TiO2 (13).
322
Como se ha indicado anteriormente, esta revisión pretende
mostrar aquellas aplicaciones menos conocidas del TiO2 el en
área de la ingeniería tisular y las terapias celulares, sin centrarlo
en el elevado número de trabajos publicados en los últimos años
referentes a la influencia del TiO2 en el buen comportamiento
de las prótesis metálicas para la reconstrucción ósea. Este
material gracias a la biocompatibilidad antes mencionada
y a otras propiedades físico-químicas ha sido propuesto en
aplicaciones que a priori serían aparentemente más adecuadas
para otro tipo de biomateriales, como por ejemplo los
polímeros, debido a que es cada vez más significativo el peso
de aquellas aplicaciones en las que se pretende la interacción
de este óxido con tejido blando, tomando ventaja de la elevada
supervivencia celular, y la facilidad para la diferenciación
que tiene lugar en su superficie. De esta manera podríamos
encontrarnos con un biomaterial de cuarta generación, un
material inteligente, como se demostrará a continuación,
capaz de modular su superficie para interaccionar con el tejido
y permitir el crecimiento celular con un campo de aplicación
cada vez mayor en ingeniería tisular.
2. Propiedades físico-químicas del TiO2.
El TiO2 adopta tres formas cristalográficas fundamentales:
brookita (romboédrica, Pbca, a = 5,436 Ǻ, b = 9,166 Ǻ, c = 5,135
Ǻ), anatasa (tetragonal, I41/amd a = b = 3,782 Ǻ, c = 9,502 Ǻ)
y rutilo (tetragonal, P42/mnm, a = b = 4,584 Ǻ, c = 9,502 Ǻ)12.
La transformación de fase entre anatasa y rutilo suele tener
lugar entre 475 y 484 ºC, según se muestra en el diagrama
de fase Ti-TiO213, figura 1. En la actualidad, el TiO2 también
es el material semiconductor foto-catalítico más utilizado
(p.e. para depurar agua), debido a su elevada estabilidad y
a su banda favorable de energías prohibidas en torno a 3.0
eV. El TiO2, tanto en forma de películas delgadas como en su
forma monolítica, presenta propiedades eléctricas explotables
para el diseño y producción de materiales electroactivos.
Quizás, la fundamental es que el TiO2 es intrinsecamente un
semiconductor tipo n que, inmerso en un fluido electrolítico,
puede regular su concentración de defectos electrónicos14,
por ejemplo, mediante la aplicación de un campo eléctrico,
el dopado con aceptores o donadores y/o la introducción de
iones capaces de modificar su estructura cristaloquímica15.
Cuando el TiO2 está dopado con cationes pentavalentes
(ej. Nb5+, V5+) aumenta la concentración de electrones16, sin
embargo, cuando está dopado con iones trivalentes (ej. Fe3+) se
generan huecos electrónicos dando lugar a semiconductores
tipo p17. De esta manera puede controlarse la aniquilación
de cargas móviles por recombinación y adecuar la estructura
para el movimiento apropiado de iones y electrones. Según los
conceptos expuestos anteriormente cada partícula o superficie
de TiO2 puede ser considerada como una celda electroquímica
a escala atómica, propiedad que puede ser explotada en el
campo de la biomedicina.
La interacción del TiO2 con el medio biológico ha sido
siempre explicada a partir de los estudios realizados en las
prótesis de Ti metálico. Considerando la superficie de este Ti
compuesta, a priori, por dióxido de titanio (TiO2), ya sea por
oxidación directa al exponer la superficie metálica al ambiente, o
bien mediante la pasivación de la misma de forma controlada9.
Cuando esta capa de TiO2, formada sobre la superficie de Ti
metálico, está en contacto con un medio acuoso similar al
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Una revisión del uso del TiO2 en terapias e ingeniería tisular
biológico se observan diferentes fenómenos que tienen lugar
en la interfase líquido/óxido. Primero, cuando la hidratación
de la capa de óxido tiene lugar, se produce la formación de
hidróxidos en su superficie. Estos grupos OH sufren reacciones
de tipo ácido-base con el medio, responsables de que existan
cargas eléctricas en la interfase, y además poseen un carácter
ácido o básico18,19 según el tipo de átomo de Ti al que se unan,
figura 2. Los OH ácidos, se encuentran unidos a dos átomos
de Ti (coordinación tipo puente), mientras que los básicos
se coordinan a un único Ti. En contacto con el agua, pH = 7,
existe una ligera carga negativa debido a la desprotonación de
grupos OH unidos a puntos ácidos. Esta carga superficial de
la interfaz es la responsable de la interacción primero con los
iones inorgánicos que se encuentran en los fluidos y después
con macromoléculas como proteínas, lípidos y polisacáridos.
La interacción del calcio y el fosfato con la superficie es de
particular relevancia para el uso de este material en implantes
óseos, la unión de iones Ca2+ tiene lugar, probablemente
debido a la interacción electroestática con la carga superficial
negativa20, y no requiere de la presencia de fosfato para ser
absorbido en la superficie. Por otra parte, es sabido que el
fosfato se absorbe en la superficie del TiO2 como H2PO4- o
HPO42- reemplazando a los grupos OH- básicos21.
3. Naturaleza de la Biocompatibilidad del
TiO2.
Las reacciones de oxidación y reducción forman parte
de numerosas vías bioquímicas y procesos celulares. En los
sistemas biológicos existen varios compuestos pro-oxidantes y
antioxidantes cuyo balance, extremadamente importante para
mantener las funciones vitales22, es regulado con precisión. Las
desviaciones del balance en una u otra dirección pueden ser
deletéreas para la célula y el organismo23, así, los cambios en el
balance hacia un incremento en la capacidad pro-oxidante se
denominan estrés oxidativo y pueden causar daños en diversas
dianas biológicas, incluyendo los lípidos, el ADN, las proteínas
y los mecanismos de defensa celular, que están formados por
enzimas y equivalentes reductores. Por otro lado, los cambios
en el balance hacia un incremento del poder reductor, o
antioxidante, se definen como estrés reductor y pueden llevar
a distintos tipos de alteraciones moleculares y celulares graves
para el organismo. Los principales pro-oxidantes presentes en
los mamíferos se generan a partir del oxígeno y el nitrógeno y se
clasifican en radicales y no radicales. El grupo de compuestos
no radicales lo forman numerosas sustancias, algunas de las
cuales son extremadamente reactivas, aunque no radicales
por definición. Los compuestos no radicales producidos en
las células eucariotas en mayores cantidades son: el peróxido
de hidrógeno (H2O2) y el ácido hipocloroso (HClO). Por otro
lado, los compuestos más relevantes que constituyen el grupo
·de radicales son; el radical superóxido (O2 ), el radical óxido
·
·
nitroso (NO ), el radical hidroxilo (OH ) y el peroxinitrito
(OONO-). Estas especies son radicales porque contienen por lo
menos un electrón no apareado y, a pesar de ello, son capaces
de existir independientemente24. Ese electrón no apareado les
confiere gran reactividad, caracterizada por la fuerte tendencia
a obtener o donar un electrón y así estabilizarse. Las células
tienen sistemas que contrarrestan el estrés oxidativo actuando
en diferentes niveles. La familia de enzimas antioxidantes
superóxido dismutasa (SOD) cataliza muy eficientemente la
·transformación del O2 en H2O2, mientras que las catalasas y las
peroxidasas reducen el H2O2 a agua y oxígeno. Otro mecanismo
importante de defensa lo constituyen los antioxidantes de bajo
peso molecular, cuya principal fuente es la dieta. Numerosas
condiciones patológicas se producen por alteración del
balance redox produciendo generalmente una inflamación
y, en aquellos casos más extremos, la muerte celular. Una
reacción inflamatoria del organismo es una respuesta habitual
a una lesión o a la presencia de objetos extraños en el cuerpo.
La duración y magnitud de dicha reacción tiene una influencia
clara en la estabilidad y biocompatibilidad de los materiales
implantados, afectando a la eficacia de los dispositivos
biomédicos25. Las células inflamatorias que aparecen en una
primera etapa de inflamación en la interfase de un implante
son los neutrófilos polimorfonucleares, estas células son
responsables de la producción de Especies Reactivas de
Oxígeno (Reactive Oxygen Species, ROS), la cual puede ser
regulada mediante la interacción de los neutrófilos con el
biomaterial, ya que los diferentes materiales pueden afectar la
función y viabilidad de dichas células. Si la implantación de
un material desencadena la activación de dichos neutrófilos
mediante la elevación de la concentración de Ca2+ intracelular,
Figura 2. Esquema representativo de una superficie de titanio asumiendo un ordenamiento de átomos semejante al del rutilo (110). Los grupos hidroxilos básicos se encuentran coordinados con un catión Ti, mientras que los hidroxilos ácidos están simultáneamente coordinados a dos Ti (8).
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el incremento de la expresión de determinadas integrinas
(CD11b)26, provoca una combustión respiratoria y ello
contribuirá al proceso de degradación del biomaterial y a
la perdida de las características superficiales del implante27.
Por este motivo es crucial regular el tiempo de vida de
dichos neutrófilos activados. La muerte celular regulada
por la apoptosis o muerte celular programada y la posterior
ingestión de estas células apoptóticas mediante fagocitosis
resultan los mecanismos adecuados para la resolución de la
inflamación, mientras que si la muerte de dichas células se
produce por necrosis, esto provocará la liberación de una
mayor concentración de mediadores pro-inflamatorios28.
Al final de los años 80 aparecieron diferentes trabajos
entre los que se afirmaba que el titanio metálico era un
excelente biomaterial con una respuesta favorable al tejido
biológico debido a una interacción con el plasma sanguíneo,
las células inflamatorias y los mediadores inflamatorios,
probablemente distinta a la que tenía lugar en otros materiales.
De esta manera, Tengvall y col.29 publicaron la formación de
un complejo Ti-OOH en la superficie de los implantes de
Ti metálico, proponiendo esa interfase como la responsable
de la biocompatibilidad del mismo. Los grupos Ti-OH
superficiales al reaccionar con diferentes especies como O2·- y
OONO- forman H2O2, y un peroxigel de Ti, que evoluciona
hacia la formación de un hidróxido de Ti o un dióxido de
titanio hidratado30. Sin embargo, fue casi veinte años despúes,
cuando Suzuki y col31 comprobaron experimentalmente la
hipótesis formulada por Tengvall, demostrando por primera
vez la actividad antiinflamatoria del TiO2. Los mismos autores
han comparado y demostrado la superioridad del TiO2 (en
forma de polvo) en la eliminación del radical peroxinitrito
frente a otros materiales también oxídicos, como el Al2O3, o
poliméricos como el poliestireno o la silicona32. En este trabajo,
estos autores proponen un mecanismo de reacción modificado
con respecto a lo publicado por Tengvall y col.29, basado a
su vez en el modelo catalítico de dos electrones propuesto
por Haber33, que queda expresado mediante las siguientes
reacciones:
·-
2TiO2 + 2O2 + 2H+ = Ti2O3 + O2 + H2O (R1)
·
Ti2O3 + OONO = 2TiO2 + NO2
(R2)
Según este mecanismo el Ti2O3 puede reaccionar con
el peroxinitrito (o con el H2O2), regenerando el catalizador
original, el TiO2. Este modelo de reacción requiere, por lo
tanto, la formación de Ti3+ en el óxido, coexistiendo con el
titanio de valencia +4. Hay alguna evidencia fisiológica de
la formación de titanio en un estado de valencia reducida,
generándose in vivo algún exceso de Ti3+ capaz de ser liberado
del material32. Varios autores coinciden en que, a pesar de las
reacciones arriba formuladas, el mecanismo de eliminación
de ROS por el TiO2 ha de ser más complejo. Unos años más
tarde Contreras y col.34 evaluaron la actividad antioxidante de
titanatos de Sr y Ba (dopados y no dopados) comparándolos
con muestras de TiO2 y de TiO2 dopado con Nb. Estos autores
demostraron que los materiales con mayor capacidad para la
eliminación de ROS eran aquellos dopados con Nb (TiO2 y
SrTiO3), concluyendo que las propiedades antioxidantes de
dichos materiales dependían directamente de la concentración
de Ti3+ de la muestra. Se ha demostrado que esta actividad se
conserva a pH fisiológico y en presencia de suero, fibrinógeno
324
y bicarbonato, siendo estas ventajas sustanciales respecto
a otras intervenciones antioxidantes como por ejemplo, la
introducción de enzimas de la familia SOD que si bien
disminuyen la concentración de superóxido, aumentan la
formación de H2O2.
Por tanto para la optimización de las propiedades
antioxidantes del TiO2 resulta fundamental generar formas
modificadas de este óxido que contengan directamente
cantidades apropiadas de los dos estados de valencia (+3 y
+4) y que presenten las propiedades catalíticas necesarias para
la supervivencia celular.
Podría ser muy conveniente activar los procesos de
generación de portadores de carga adecuados mediante
la estimulación eléctrica. Normalmente existen impurezas
donadoras o aceptoras de electrones en las superficies de
TiO2. Las impurezas donadoras producen un aumento de
la densidad de electrones en la banda de conducción, lo
que le confiere al material una alta conductividad eléctrica.
Análogamente, las impurezas aceptoras de electrones generan
niveles vacíos con energía próxima a la banda de valencia.
Estos aceptores pueden reducirse tomando electrones de la
banda de valencia y aumentado la densidad de huecos. El
efecto final es también un aumento de conductividad. La
conductividad electrónica aumentada en la superficie del
TiO2 puede favorecer la adsorción de especies químicas.
Así, ambos tipos de defectos ayudan a la adsorción de agua,
electrolitos y moléculas orgánicas, especialmente proteínas,
al parecer por interacciones electrostáticas35. La adsorción
de proteínas es también regulable por la micro estructura
superficial del TiO236. Además de los defectos electrónicos,
existen otros defectos tales como las vacantes de oxígeno, así el
TiO2 formalmente debería formularse como TiO2-x, siendo las
Figura 3. Micrografía de MEB que muestran hepatocitos aislados junto con pequeños agregados celulares cultivados sobre superficies de
rutilo. Los hepatocitos fueron aislados del hígado de ratas SpragueDawley, sembrados sobre las superficies policristalinas de rutilo a una
densidad de 2*106 células/ml, se mantuvieron hasta 3 días en cultivo
antes de fijarlos para su observación en el microscópio (42).
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Una revisión del uso del TiO2 en terapias e ingeniería tisular
vacantes de oxígeno compensadas por la adopción del estado
de oxidación Ti(+3) por un número equivalente de átomos
de titanio; estas vacantes de oxígeno pueden funcionar como
sumideros de radicales.
4. Aplicaciones del TiO2: interacción célulamaterial
Como se ha comentado anteriormente el éxito del titanio
metálico como material para la fabricación de implantes37
radica en sus propiedades superficiales, principalmente
determinadas por la formación de una fina capa de TiO238
esencial para la oseointegración de estas prótesis. La
interacción de los osteoblastos con los materiales implantados
ha sido objeto de gran cantidad de estudios, particularmente
en el caso de materiales metálicos, como el Ti y sus aleaciones
(TiAlV, etc.)39,8. También se han empleado para esta aplicación
sustratos basados en materiales cerámicos, considerados
como una alternativa para estas aplicaciones en base a sus
propiedades5. Como ya se ha explicado, el grueso de los
estudios encaminados a elucidar la interacción del TiO2 con
las células y el tejido vivo están realizados en capas finas
generadas a partir de la oxidación superficial del titanio
metálico, para su uso en implantes óseos40,8. Sin embargo, en
esta revisión se pretende dar otra perspectiva, resumiendo
algunas aplicaciones diferentes y novedosas de este material
tanto en ingeniería biomédica como en terapias celulares.
Los fenómenos de adhesión de las células a los materiales
se encuentran regidos por la interacción de las proteínas de
la membrana celular con las superficies de dichos implantes.
Diferencias en el ordenamiento atómico superficial pueden
inducir conformaciones diferentes de dichas proteínas y por
lo tanto condicionar la adhesión celular.
Existen aplicaciones en las que la morfología celular
condiciona la viabilidad de las células y su metabolismo, un
ejemplo claro es la preparación de sistemas artificiales hepáticos
extracorpóreos para realizar reemplazos metabólicos41.
Recientemente se ha propuesto el uso de superficies de
TiO2 como un material candidato para el cultivo in vitro de
hepatocitos. Los estudios realizados incluyen geles de TiO242,
monocristales con diferentes orientaciones, muestras de TiO2
policristalinas43, figura 3, o incluso andamiajes tridimensionales
microporosos41. Se ha demostrado que las superficies estudiadas
Figura 4. Microfotografías de neuronas obtenidas de córtex cerebral sembradas a una densidad de 2,5*104 células/cm2 y cultivadas durante 4 días
in vitro, en (A y B) vidrio de borosilicato y (C y D) capas de TiO2 tratadas a 350ºC durante 2 h. Tinción inmunocitoquímica con Tau (A y C). La
tinción con Hoescht se empleó para identificar los núcleos de las células (B y D). Los asteriscos en A señalan la posición de dos células muertas
y en B los núcleos fragmentados y condensados, pertenecientes a dichas células. Las flechas indican procesos largos (axones) y los triángulos las
dendritas. Escala: 15 µm. (51).
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B. Moreno, M. Carballo, J.R. Jurado, E. Chinarro
inducen la agregación celular sin la necesidad de recurrir
a recubrimientos proteicos, generalmente empleados para
favorecer la adhesión de la célula al sustrato. La formación de
estos agregados celulares es necesaria para el mantenimiento
prolongado de la diferenciación celular, y son un indicativo de
la idoneidad del sustrato para el cultivo de estas células, si bien
es cierto que la formación de grandes agregados puede causar
Figura 5. Micrografía confocal que muestra el crecimiento de procesos
neurales sobre diferentes sustratos. A y B: neuronas sobre vidrio de borosilicato, C y D: neuronas sobre muestra de rutilo P-I (Sint.1400ºC/4h);
E y F: neuronas sobre muestra P-II (1400ºC/8h); G y H: neuronas sobre
muestra P-IV (1600ºC/8h). (A, C, E, G) se tomaron de cultivos de alta
densidad. (B, D, F, H) se tomaron de cultivos de baja densidad. Escala:
15 µm. (52)
326
problemas de malnutrición o necrosis44. Se ha comprobado
como la orientación cristalográfica de las muestras no parece
ser un factor condicionante de la actividad metabólica de
los hepatocitos, ni tiene una influencia clara en la adhesión
de las células43, en contra de lo observado en relación a
otros tipos celulares, como condrocitos45, osteoblastos46 o
células epiteliales47. Sin embargo, si que se han encontrado
menores viabilidades de las células cultivadas sobre muestras
policristalinas de TiO2 en comparación con los monocristales.
Nakazawa y col.42 estudiaron la morfología celular sobre la
superficie de TiO2, como un indicativo de la expresión de las
funciones diferenciadas de cultivos primarios de hepatocitos.
Este estudio llevado a cabo sobre un recubrimiento amorfo de
TiO2 obtenido sobre poliestireno corroboró que la cristalinidad
de las muestras no resulta significativa para promover la
forma esférica en los hepatocitos. Se han detectado algunas
discrepancias en estos resultados, Zhao y col.48 publicaron que
la proliferación celular está afectada por el estado cristalino y
la fase del TiO2 (rutilo-anatasa), hallando que en algunos casos
las superficies de rutilo densas con un alto estado cristalino
fueron el mejor sustrato para el desarrollo de hepatocitos de
todas las superficies evaluadas.
También se ha descrito la utilización del TiO2 en
aplicaciones vasculares con el objetivo de integrar y evitar
el fallo de prótesis coronarias como “stents” o válvulas. En
este tipo de implantes la colonización de la superficie por
células endoteliales vasculares va a ser fundamental para
disminuir el riesgo de trombosis y favorecer la recuperación
de la función. El ajuste geométrico de la superficie del TiO2 a
nivel nanoestructural es un parámetro esencial para el control
del crecimiento y diferenciación de células endoteliales y de
células de tejido liso muscular. Peng y colaboradores49 han
empleado nanotubos de TiO2 para recubrir las superficies de
este tipo de implantes, estos autores han encontrado que estas
nanoestructuras favorecen significativamente la proliferación
de células endoteliales, mientras que restringen el crecimiento
de células de tejido muscular liso. Esta selectividad ejercida
por el material en el desarrollo celular se explica gracias a la
limitación que ejercen los nanotubos de TiO2 en el crecimiento
del tamaño celular, inhibiendo el desarrollo de las células de
tejido muscular liso. Bramer y col50 han observado un aumento
de la movilidad celular guiada mediante la implantación de
superficies de nanotubos de TiO2. Se ha llevado a cabo la
diferenciación celular sobre la superficie de los nanotubos de
TiO251; determinando la existencia de una fuerte estimulación
celular sobre la superficies de dichos nanotubos alineados
verticalmente, considerando muy importante la influencia de
su geometría y cristalinidad en el crecimiento celular. Estos
hechos indican que un ajuste geométrico adecuado de las
superficie del TiO2 a nivel nanoestructural será un parámetro
esencial para el crecimiento y diferenciación de células
endoteliales y células de tejido liso muscular empleadas
fundamentalmente en los implantes vasculares.
Gracias a la elevada biocompatibilidad del TiO2 y a sus
particulares propiedades electroquímicas, recientemente se
ha propuesto el uso de este material en neuro-prótesis
implantables. El uso del óxido de titanio en el sistema nervioso
se ha propuesto gracias a la posibilidad de electroestimular, y
a la vez de eliminar la respuesta inflamatoria desencadenada,
generalmente, al implantar un material evitando la formación
de una capa proteica, fibroblastos, glia, etc., en torno al
mismo.
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Una revisión del uso del TiO2 en terapias e ingeniería tisular
Collazos-Castro y col.52 han propuesto el uso de TiO2
conformado como capas delgadas depositadas sobre sustratos
aislantes (vidrios de borosilicato) y otros sustratos conductores,
las capas sintetizadas están formadas por TiO2 amorfo o
cristalizado como fase anatasa, dependiendo del tratamiento
térmico llevado a cabo. Estos autores han llevado a cabo cultivos
celulares de neuronas E14, evaluando su supervivencia a 4 y
10 DIV (Días in vitro), figura 4. Así, han demostrado que los
materiales sintetizados resultan sustratos adecuados para el
crecimiento neuronal al permitir la supervivencia y adhesión
de las células cultivadas. Sin embargo, estos autores han
encontrado un crecimiento anormal de los procesos emitidos
por la célula en su desarrollo. Las células analizadas muestran
un número inferior de neuritas en relación al sustrato control
(vidrio de borosilicato). De la misma manera, Carballo-Vila y
col.53 han evaluado en el desarrollo de células neuronales E14
tras 4 y 10 DIV, sobre la superficie de discos densos de TiO2
constituidos por rutilo como fase cristalina y obtenidos con
diferentes tratamientos térmicos (figura 5). Estos autores han
demostrado como diferencias en el procesamiento cerámico
de los discos influyen en la supervivencia y adhesión de las
células en la superficie de los sustratos. Así, se ha comprobado
como las muestras con un menor tamaño de grano presentan
una mayor supervivencia neuronal, en este sentido estos
autores han encontrado un desarrollo celular semejante al
descrito anteriormente por Collazos-Castro y col52, observando
un número inferior de neuritas primarias en comparación
al control incluso en los cultivos realizados a 10 DIV. Se
ha concluido que las características superficiales de estos
materiales son determinantes en la evolución y desarrollo de
las células cultivadas “in vitro”.
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5. Conclusiones
En este trabajo se ha pretendido mostrar algunas de las
aplicaciones más novedosas del TiO2-x como biomaterial,
susceptible de ser aplicado en ingeniería tisular. Redefiniendo
el óxido de titanio como un biomaterial de cuarta generación,
en cuanto a que presenta unas especiales características
físico-químicas que le permiten modificar su superficie
frente a determinados estímulos. Son estas propiedades las
responsables de la elevada biocompatibilidad de este óxido,
motivo por el cual se está estudiando con mayor interés la
respuesta célula - TiO2 ampliando cada vez más el campo de
aplicación de este óxido.
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